一種新型光電位移傳感器在Y-200圓度測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

李國(guó)斌，李利歌

（洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

滾動(dòng)軸承是一種具有高度互換性的機(jī)械基礎(chǔ)件，是各種機(jī)械中傳遞運(yùn)動(dòng)和承受載荷的重要支承零件。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)軸承的性能、壽命和可靠性提出了更高的要求。檢測(cè)是保證軸承質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而軸承套圈與鋼球的圓度對(duì)軸承的性能影響非常大，圓度的檢測(cè)至關(guān)重要。

目前，用于解決測(cè)量小位移的方法主要有電磁法和電容法，這兩種電路的基本測(cè)量原理均是通過(guò)交流激勵(lì)信號(hào)連續(xù)對(duì)傳感器施加電流，形成與被測(cè)位移成比例的電流或電壓信號(hào)，從而測(cè)量出被測(cè)位移值。電容式傳感器由于輸出特性的非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響，以及與傳感器聯(lián)接的電路比較復(fù)雜等，影響到其應(yīng)用的可靠性，需要采取一定的補(bǔ)償和校正措施；電感式傳感器電源的頻率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，電源電壓與輸出電壓還存在一定的相移，過(guò)大的正交分量會(huì)使波形失真，需通過(guò)相敏整流電路來(lái)削弱。相對(duì)電容式和電感式傳感器相對(duì)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和測(cè)量誤差較大的缺點(diǎn)，光電傳感器根據(jù)硅光電器件光照面積的變化測(cè)量位移變化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，靈敏度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，抗惡劣環(huán)境性能好等一系列特點(diǎn)，在軍工、汽車、輪船等工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前傳感器的重要發(fā)展方向之一。

在此主要設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良，高精度，完全無(wú)接觸的光電位移傳感器，僅從定片基板上引出電極，動(dòng)片的轉(zhuǎn)動(dòng)完全自由。應(yīng)用高精度的儀器放大器INA122和數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片ADS1210進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將此傳感器應(yīng)用于Y-200圓度測(cè)量?jī)x測(cè)試鋼球的圓度，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 光電傳感器的工作原理及其外圍電路設(shè)計(jì)

1.1 光電傳感器的基本工作原理

對(duì)于光電傳感器，不考慮邊緣光的衍射影響時(shí)，其光電流值為：

I＝ηES。

式中：η為硅光電池轉(zhuǎn)換效率；E為照度；S為光照面積。

因此，只要照度或光照面積這兩個(gè)物理量直接或間接地變化，都能引起電流的變化，通過(guò)一定的測(cè)量線路將其轉(zhuǎn)化為有用的信號(hào)輸出，據(jù)此判斷物理量的變化，這就是光電傳感器的基本工作原理［1］。根據(jù)改變的物理量不同，光電傳感器可以分為2種：（1）變遮光面積式，一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移；（2）變光通量式，常用于光強(qiáng)的測(cè)量，也用于測(cè)量介質(zhì)濕度，密度等狀態(tài)參數(shù)。

可見(jiàn)，只要能轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移變化或物質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)變化的物理量如壓力、速度、加速度、力、濕度、密度等，均可制成相應(yīng)的光電傳感器。因此光電傳感器具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

1.2 光電位移傳感器的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的光電位移傳感器采用變遮擋受光面積式，通過(guò)改變兩個(gè)硅光片正對(duì)受光面積來(lái)改變電流值。為了從固定的硅光片上引出導(dǎo)線以及保證傳感器輸出量為線性值，將傳感器設(shè)計(jì)如下：在印制板上用焊裝的方法固定好兩個(gè)硅光片，作為位移傳感器的信號(hào)接收板。其中定片的中間部分是不連通的，由硅光片a，b組成；動(dòng)片為遮光擋板［3］，其形狀如圖1，圖2所示。

4根導(dǎo)線分別從定片的印制板上引出，為了減少電磁干擾，導(dǎo)線需要屏蔽。將動(dòng)片裝置在直線軸承上，再與定片平行放置，距離盡可能小，保持平行運(yùn)動(dòng)。初始位置如圖3所示。當(dāng)動(dòng)片移動(dòng)一定位移量δ時(shí)，平行光、遮光動(dòng)片和兩個(gè)硅光定片上正對(duì)部分就構(gòu)成了兩個(gè)光電流I1和I2（圖4）。

圖3 初始位置

圖4 移動(dòng)δ后的位置

下面對(duì)光電流進(jìn)行計(jì)算：

式中：δ為傳感器動(dòng)片移動(dòng)的距離；h為傳感器動(dòng)片寬度。

如圖4所示移動(dòng)位移δ時(shí)，由（4）式可知在光照E和動(dòng)靜片尺寸不變的情況下，δ∝ΔI，呈線性關(guān)系。

1.3 位移信號(hào)的采集與處理［4］

光電傳感器由于受幾何尺寸和光源的限制，光電流都很小，一般僅幾微安到幾十微安，故需選用高阻抗元件。同時(shí)由于電流值太小，使其易受外界的干擾，信號(hào)的提取比較困難。傳統(tǒng)的測(cè)量方法采用脈沖光源和脈沖寬度調(diào)制電路等，這些電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性能有限且設(shè)計(jì)成本很高。光電傳感器的光源采用恒定直流光源；信號(hào)采集電路采用模擬差動(dòng)輸入方法提取，有效地消除衍射光對(duì)測(cè)量靈敏度和精度的影響。光電流信號(hào)電路硬件圖如圖5所示。

圖5 光電流信號(hào)電路硬件

1.4 電路測(cè)量精度的提高

選擇BURR-BROWN高性能A／D數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADS1210芯片，將位移由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該器件集成度高，外圍電路簡(jiǎn)潔，完全通過(guò)軟件控制，應(yīng)用靈活，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADS1210芯片的結(jié)構(gòu)圖

由于電源對(duì)精度影響大，為了減少其影響，電源必須穩(wěn)定且噪聲小。因此，使用MAX666作＋5 V電壓的穩(wěn)壓芯片，利用電容的作用減少電壓波動(dòng)。電路圖設(shè)計(jì)如圖7所示（圖7中Vcc是經(jīng)穩(wěn)壓后輸出的電壓）。ADS1210采用差分輸入，同時(shí)輸入端電壓不能大于電源電壓且不能小于零。為了能輸入雙極性信號(hào)，并加大測(cè)量范圍，提高測(cè)量精度，采用圖8所設(shè)計(jì)的電路。圖8中差分輸入的負(fù)端接芯片REF192的2.5 V輸出，保證差分基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定。差分輸入正端利用兩電阻調(diào)節(jié)，以滿足測(cè)量范圍的要求。圖中3.3 V電壓由REF196穩(wěn)壓芯片提供。當(dāng)輸入信號(hào)在-5～＋5 V內(nèi)變化時(shí)，可算出AINP處的電壓范圍約為1.25～3.75 V。2.5 V對(duì)應(yīng)的是零點(diǎn)，而AINP接2.5 V就實(shí)現(xiàn)了對(duì)地信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換。

圖7 減少電壓波動(dòng)圖

圖8 差分輸入圖

使用ADS1210校正寄存器，可通過(guò)編程對(duì)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。通過(guò)CMR中的MD2～MD0位，選擇自校正模式。在編程時(shí)，必須嚴(yán)格遵守校正的時(shí)序。在AD轉(zhuǎn)換前失調(diào)因子寫(xiě)入相應(yīng)的校正寄存器，然后必須讓／DRDY保持高電平，持續(xù)一個(gè)保持周期。在這個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，ADS1210會(huì)依據(jù)失調(diào)因子自動(dòng)完成校正工作。最后／DRDY變低完成此次轉(zhuǎn)換，同時(shí)ADS1210進(jìn)入正常模式下工作，MD2～MD0位自動(dòng)恢復(fù)為000。另外必須注意系統(tǒng)失調(diào)校正范圍和滿量程校正范圍受下列公式限制：

式中：Vps為滿量程電壓；︱Vos︱?yàn)槭д{(diào)電壓的絕對(duì)值；REFin為基準(zhǔn)電壓；GAIN為系統(tǒng)放大率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于存在加工尺寸的分散性，傳感器在正中間位置時(shí)位移值并不為0，即存在分散性的影響，在進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換前需要調(diào)零，然后通過(guò)硬件歸一化，使在量程范圍內(nèi)傳感器的輸出為0～5 V，通過(guò)ADS1210對(duì)數(shù)據(jù)的自校正位處理后，光電傳感器的位移值在-2～2 mm的范圍內(nèi)，觀察到輸出由50 mV線性增大到4.95 V。在微動(dòng)臺(tái)架上測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

線性擬合的相關(guān)系數(shù)為0.999 38，表明傳感器輸出的線性度很高，24 bit的D／A轉(zhuǎn)換器的有效精度達(dá)到5 mV，位移可準(zhǔn)確測(cè)量到0.1μm。

3 光電傳感器在圓度測(cè)量中的應(yīng)用結(jié)果及分析

將所設(shè)計(jì)傳感器用于Y-200圓度儀，測(cè)試5級(jí)鋼球的圓度，鋼球尺寸為3.175 mm，標(biāo)稱圓度值為0.13μm，圖10為電感傳感器測(cè)量結(jié)果，圖11為光電傳感器測(cè)量結(jié)果。

圖10 電感傳感器測(cè)量結(jié)果

圖11 光電傳感器測(cè)量結(jié)果

從圖10和圖11可以看出在被測(cè)對(duì)象、評(píng)定方法和濾波范圍相同情況下，用電感傳感器測(cè)得的結(jié)果為0.23μm，而用光電傳感器測(cè)得的結(jié)果為0.14μm，光電傳感器測(cè)得的結(jié)果與被測(cè)鋼球的標(biāo)稱值基本一致，可見(jiàn)采用光電傳感器的測(cè)量精度比電感傳感器的測(cè)量精度高。用安裝光電傳感器的圓度儀對(duì)此鋼球進(jìn)行多次測(cè)量，幾次測(cè)量結(jié)果平均值為0.14μm，證明測(cè)量結(jié)果具有較好的重復(fù)性。利用此圓度儀測(cè)量軸承內(nèi)外圈的圓度，沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說(shuō)明將設(shè)計(jì)的光電傳感器用于圓度測(cè)量?jī)x上，測(cè)量穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可知所設(shè)計(jì)的光電傳感器的頻響、精度和線性度相當(dāng)高，在-2～2 mm范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)線性輸出5 mV～4.95 V，位移可準(zhǔn)確測(cè)量到0.1μm，傳感器的非線性可以達(dá)到0.01%～0.03%。該光電傳感器外形結(jié)構(gòu)和外圍電路簡(jiǎn)單，電引線靜止不動(dòng)，對(duì)測(cè)量力完全沒(méi)有影響，延長(zhǎng)使用壽命。將該光電傳感器應(yīng)用在Y-200圓度測(cè)量?jī)x中，縮小了電路部分的體積，實(shí)用結(jié)果表明測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、分辯率高。如果改變?cè)摴怆妭鞲衅鞯男螤钸€可以測(cè)量角度，因此該傳感器具有很廣的應(yīng)用范圍。